第四代SIMPLE SWITCHER開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)品介紹

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體推出了除”簡(jiǎn)單易用”外，還能提供多種輸出電流的第四代SIMPLESWITCHER®產(chǎn)品組。本產(chǎn)品組具有良好的功能及設(shè)計(jì)自由度，支持設(shè)計(jì)工程師們使用它們?cè)O(shè)計(jì)出所需要的尺寸、EMI及輸入精確度的最佳電源裝置，同時(shí)，通過WEBENCH®可以縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

背景

驅(qū)動(dòng)電路需要電源IC。為了選擇電源IC，電源設(shè)計(jì)工程師們一般選擇輸入電壓、輸出電壓和輸出電流后根據(jù)熱效率來考慮選擇線性穩(wěn)壓器還是選擇開關(guān)穩(wěn)壓器。

如果電路比較簡(jiǎn)單，而且對(duì)于效率沒有要求時(shí)，可以選擇線性穩(wěn)壓器，而對(duì)于效率高并且需要具有高密度電源的空間時(shí)應(yīng)選擇開關(guān)穩(wěn)壓器。但是，由于線性穩(wěn)壓器在低壓情況下存在過度發(fā)熱及效率低等問題，因此開始逐漸向開關(guān)穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)移。

同時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器在低輸出電壓，高效率的要求下發(fā)展出采用同步整流方式的開關(guān)穩(wěn)壓器，所以，電路變得復(fù)雜，設(shè)計(jì)上也出現(xiàn)了一些問題。尤其是在機(jī)器的小型化過程中，電源電路也要求節(jié)省空間，包括周邊產(chǎn)品在內(nèi)，為了實(shí)現(xiàn)小型化，開關(guān)頻率也向高頻率方向發(fā)展。

為了繼續(xù)高頻率化以及芯片的小型化并且能夠更簡(jiǎn)單地進(jìn)行設(shè)計(jì)，電源集成電路的制造商推出了內(nèi)置FET的開關(guān)穩(wěn)壓器。同時(shí)，因周邊部件的內(nèi)置，也保證了產(chǎn)品的小型化，設(shè)計(jì)成專用的FET內(nèi)裝，設(shè)計(jì)容易了許多。也就是說小型化及設(shè)計(jì)容易方面達(dá)到了兩全其美的效果。

同時(shí)，又出現(xiàn)了叫做內(nèi)裝同步整流開關(guān)FET的SIMPLESWITCHER―電源IC，所以，很容易使用能支持從50KHz到1MHz之間的高速開關(guān)頻率的同步整流型開關(guān)穩(wěn)壓器。

何為SIMPLESWITCHER

SIMPLESWITCHER是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體所開發(fā)的新概念轉(zhuǎn)換器。SIMPLESWITCHER可分為，工作在52KHz的第一代，工作在150KHz的第二代，工作在260KHz并且具有同步引腳的第三代，能支持到1MHz，并且在所有產(chǎn)品中都有同步引腳的第四代等。

第四代SIMPLESWITCHER是在輸入為6V~45V/75V下，輸出電流達(dá)到0.5A，1.5A，3A的產(chǎn)品。計(jì)劃在日后生產(chǎn)出可達(dá)到支持5A的產(chǎn)品時(shí)，如果有多通道負(fù)荷出現(xiàn)也能全部承受。當(dāng)數(shù)字設(shè)備中需要多個(gè)的電源器件全都嵌在一個(gè)芯片中時(shí)，所支持的電源通道也需要那么多。

之所以提高開關(guān)頻率，是因?yàn)榭梢钥s小周邊元件的尺寸。在同樣的3A輸出中，開關(guān)的頻率從50kHz提高到1MHz時(shí)，線圈的大小從100uH縮小到10uH。這樣，器件的尺寸將大幅下降，電源電路的空間也明顯地減少。但是，由于無法再提高門驅(qū)動(dòng)的電流量，所以頻率范圍將無法無限提高。同時(shí)，在提高頻率后噪音特性變壞。

SIMPLESWITCHER是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的注冊(cè)商標(biāo)，是將在開關(guān)穩(wěn)壓器電路中必需的FET及PWM單元集成在一個(gè)芯片里的電源集成電路。這兩個(gè)單元分離后稱為控制器。過去，因?yàn)樾枰褂闷渌耐鈬考?，電路變得很?fù)雜。而在采用SIMPLESWITCHER后，只需要選擇適合于所需用途的器件即可實(shí)現(xiàn)。

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體所提供的在線仿真提供了SIMPLESWITCHER的選擇及電路的構(gòu)成，由于從部件選擇到參考電路都能夠提供，所以即使非電源專業(yè)工程師們也可以按其應(yīng)用要求設(shè)計(jì)電源電路。

SIMPLESWITCHER特征

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司從1989年開始，以SIMPLESWITCHER產(chǎn)品的性能和封裝、電壓及電流多樣性為重點(diǎn)持續(xù)進(jìn)行了多樣化工作，現(xiàn)能提供500多種豐富的SIMPLESWITCHER產(chǎn)品。所有的產(chǎn)品可以通過在線WEBENCH電源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件來方便快捷的使用。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的在線設(shè)計(jì)環(huán)境提供SIMPLESWITCHER產(chǎn)品組能用于DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的完整的設(shè)計(jì)環(huán)境。

最近發(fā)表的6個(gè)產(chǎn)品屬于新的SIMPLESWITCHER穩(wěn)壓器系列

上述6款芯片是SIMPLESWITCHER穩(wěn)壓器系列的最新型號(hào)產(chǎn)品。0.5A的LM5574、1.5A的LM5575及3.0A的LM5576等三款降壓穩(wěn)壓器都有極廣闊的輸入電壓范圍(6V至75V)，而開關(guān)頻率都可調(diào)節(jié)，范圍則介于50kHz與500kHz之間。0.5A的LM25574、1.5A的LM25575及3.0A的LM25576等三款降壓穩(wěn)壓器都有廣闊的輸入電壓范圍(6V至42V)，而開關(guān)頻率都可調(diào)節(jié)，范圍則介于50kHz與1MHz之間。

LM5574芯片內(nèi)置75V、750m-Ohm的N通道MOSFET，而LM25574芯片則內(nèi)置42V的N通道MOSFET，這兩款芯片都采用16引腳的TSSOP封裝。LM5575芯片內(nèi)置75V、330m-Ohm的N通道MOSFET，而LM25575芯片則內(nèi)置42V的N通道MOSFET，這兩款芯片都采用有輔助散熱焊盤的16引腳TSSOP封裝。LM5576芯片內(nèi)置75V、170m-Ohm的N通道MOSFET，而LM25576芯片則內(nèi)置42V的N通道MOSFET，這兩款芯片都采用有輔助散熱焊盤的20引腳TSSOP封裝。

特別是新型SIMPLESWITCHER采用的的模擬電流模式控制技術(shù)(ECM)功能通過輸入輸出壓差模擬電感電流以達(dá)到精確控制的目的。所以能提供比其他公司產(chǎn)品更低更精確的1.225V輸出電壓。是沒有ECM功能就不能實(shí)現(xiàn)的性能。

一般的，在大的輸入輸出壓差條件下，如果要降低輸出電壓就必須降低頻率，但是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的ECM功能可以實(shí)現(xiàn)提高頻率且降低輸出電壓。

電路分析

《圖1》SIMPLESWITCHER的產(chǎn)品及略圖


從圖1的電路(LM5576標(biāo)準(zhǔn))中各器件的功能來看，

C1:穩(wěn)壓器電源電壓，為了減小輸入電源的阻抗，優(yōu)質(zhì)的輸入電容器(Capacitor)用于VIN端的紋波電壓控制，在工作期間提供大部分的開關(guān)電流。打開降壓穩(wěn)壓器，進(jìn)入VIN端的電流從電感器電流波形的低值上升至最高值。然后，關(guān)閉狀態(tài)下下降至谷底。工作期間內(nèi)，VIN的平均電流為負(fù)載電流。輸入電容(Capacitance)由RMS額定電流和最大的紋波電壓來選擇。建議采用低等效串聯(lián)電阻(ESR)陶瓷電容器為了實(shí)現(xiàn)電容公差和電壓效果，會(huì)使用2.2μF/100V陶瓷電容器。

C2:輸出電容，C2消除電感器紋波，提供過載狀態(tài)的放電電源。為了這個(gè)設(shè)計(jì)，會(huì)選擇22μF陶瓷電容器。陶瓷電容器會(huì)提供低等效串聯(lián)電阻(ESR)，降低輸出紋波電壓和噪音干擾。

D1:所有LM5576應(yīng)用要求使用肖特基類型的續(xù)流二極管。超高速二極管不會(huì)被推薦，因?yàn)榉聪蚧謴?fù)電流會(huì)引起對(duì)IC的破壞。理想的反向恢復(fù)特性和低正向壓降是對(duì)于降壓穩(wěn)壓器高輸入電壓和低輸出應(yīng)用特別重要的二極管特性。反向恢復(fù)特性在降壓開關(guān)被打開時(shí)決定浪涌電流在各周期能維持多久。

肖特基二極管的反向恢復(fù)特點(diǎn)，可將在各周期的導(dǎo)通（turnon）期間發(fā)生的降壓開關(guān)中瞬間尖峰電流降低為最小。其結(jié)果是降壓開關(guān)變換引起的損失在使用肖特基二極管的時(shí)候大大減少。

L1:電感器值由工作頻率、負(fù)荷電流、紋波電流、最小及最大輸入電壓(VIN(min),VIN(max))值決定。在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）中，最大的紋波電流IRIPPLE應(yīng)小于最小負(fù)荷電流的2倍。這里31uH程度較適合。

WEBENCH設(shè)計(jì)程序

WEBENCH設(shè)計(jì)程序是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體為了用戶所提供的在線設(shè)計(jì)程序。任何需要電源電路的人都可以在線進(jìn)行設(shè)計(jì)并獲得想要的結(jié)果。其最大的優(yōu)點(diǎn)就是使用方便。在新版本中，包括SIMPLESWITCHER在內(nèi)，可以設(shè)計(jì)的產(chǎn)品數(shù)量已經(jīng)有了大幅度地增長(zhǎng)。

想要設(shè)計(jì)含有SIMPLESWITCHER的電源電路時(shí)，
1）設(shè)計(jì)人員在WEBENCH上鍵入輸入電壓、輸出電壓/電流等。
2）如果出現(xiàn)最合理的部件時(shí)，即可選擇。
3）利用鍵入功能詳細(xì)地輸入熱特性、尺寸、效率等內(nèi)容。
4）輸出已經(jīng)考慮好電特性的最佳電路
5）輸出已經(jīng)考慮好電特性的板設(shè)計(jì)圖。
6）通過WebSIM進(jìn)行模擬試驗(yàn)。
7）訂制在線原型。
8）48小時(shí)內(nèi)，能從公司收到原型

應(yīng)用

SIMPLESWITCHER是以為POL穩(wěn)壓器生成低電壓分散通道或如同運(yùn)算放大器的偏置電壓、內(nèi)裝程序、內(nèi)存及具有高輸入電壓的產(chǎn)品為目標(biāo)。

《參考》
1)www.national.com主頁，
2)“Stepdownswitchingregulator”，PreliminaryJAN2007
3)SIMPLESWITCHER應(yīng)用程序信息
4)SIMPLESWITCHER報(bào)道材料
5)SIMPLESWITCHER介紹資料